基于STM32微控制器的沙漠植樹(shù)車(chē)設計與實(shí)現

中國擁有廣闊的沙漠、戈壁以及荒漠化土地，三者合計面積為3.96×106 km²，占據國土面積的41.3%，同時(shí)人類(lèi)對資源的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，產(chǎn)生了許多的生態(tài)問(wèn)題，加劇了土地荒漠化?，F如今生態(tài)保護、綠色發(fā)展成為新的時(shí)代口號，《關(guān)于推動(dòng)城鄉建設綠色發(fā)展的意見(jiàn)》，更是促進(jìn)了更多的人和企業(yè)參與到了環(huán)境保護型發(fā)展領(lǐng)域當中^[1]。在城鄉綠色發(fā)展的同時(shí)，我們的目光也關(guān)注到了偏遠的沙漠地區，在這些荒涼的大戈壁上，綠色發(fā)展更顯得尤為重要?！蛾P(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設的意見(jiàn)》鼓勵著(zhù)我們投身于生態(tài)文明建設的發(fā)展，對于荒漠而栽種綠色植被是抵御它最有效措施^[2]。但是，荒漠化地區植樹(shù)成本高，成活率低，無(wú)法實(shí)現短時(shí)間大規模精準化種植，且國內現有植樹(shù)車(chē)結構較為簡(jiǎn)單，操作復雜，環(huán)境適應能力差，針對以上問(wèn)題我們設計了一款應用于土地荒漠化，使用方便、高效率的沙漠植樹(shù)車(chē)。

1 概述

對于當前荒漠地區植樹(shù)難，耗費大，無(wú)法精準種植等問(wèn)題，本文所介紹的沙漠植樹(shù)車(chē)使用STM32F103 微控制器作為主控，配合esp8266 無(wú)線(xiàn)模塊將運動(dòng)數據傳輸到上位機，遠程控制直流電機、步進(jìn)電機等實(shí)現植樹(shù)車(chē)運動(dòng)和植樹(shù)工作。因此可以極大的減少人力投入，并能快速、準確的完成沙漠的植樹(shù)工作。在保護環(huán)境的同時(shí)，積極的響應國家號召，保護生態(tài)環(huán)境，實(shí)現綠水青山就是金山銀山的總體目標。

2 植樹(shù)車(chē)系統設計與實(shí)現

2.1 機械結構設計

2.1.1 沙漠植樹(shù)車(chē)整體結構

植樹(shù)車(chē)借鑒越野車(chē)框架，能夠實(shí)現在沙漠環(huán)境下的穩定行走，因此也保證了種植的精準度，實(shí)現樹(shù)苗高種植率的目標。除此之外，植樹(shù)車(chē)機械結構還集結了鉆孔機構、送苗機構、灌溉機構、掩埋機構、運動(dòng)驅動(dòng)機構，保證植樹(shù)機結構穩固，實(shí)現沙漠植樹(shù)功能一體化，其主要結構見(jiàn)圖1。

圖1 沙漠植樹(shù)機

2.1.2 空心鉆頭打孔機構

空心鉆頭設計成螺旋結構，鉆頭底部設計成錐形空心結構，如圖2 所示。一方面便于給地面更大壓強，加速打洞，另一方面便于高壓水槍進(jìn)行注水操作，兩者同時(shí)工作出土效率更高打洞更快?？招你@頭頂部具有齒輪結構，目的是與另一齒輪嚙合，在電機的帶動(dòng)下，實(shí)現鉆頭旋轉這一運動(dòng)。

圖2 打孔新型空心鉆頭

移動(dòng)裝置主要由絲桿電機組成，如圖3 所示。左右兩個(gè)電機的帶動(dòng)下，使空心鉆頭可以準確垂直的鉆向沙土中，電機設計成左右兩個(gè)，既加大了鉆頭向下的鉆的力度，又實(shí)現了限位的功能。

圖3 鉆頭移動(dòng)裝置

空心鉆頭的設計，使得植樹(shù)機在鉆孔過(guò)程中與注水結合為一體，樹(shù)苗栽種的同時(shí)完成灌溉，減少表層水分的蒸發(fā)，提高了樹(shù)苗的成活率。實(shí)現種植效率的最大化并且保證了更高的精確性、穩定性、安全性、環(huán)境適應性，進(jìn)一步阻止了土地荒漠化的擴散。

2.1.3 送苗機構

該機構主要由樹(shù)苗分苗器、分苗滾筒組成，如圖4、圖5。樹(shù)苗分苗滾筒由步進(jìn)電機控制，轉筒表面為凹槽設計，保障桿狀的植物可進(jìn)入凹槽裝置，之后滾筒旋轉，當樹(shù)苗被攜帶到與樹(shù)苗暫存盤(pán)成60°時(shí)，樹(shù)苗滑進(jìn)至分苗器，完成分苗；之后分苗器在伺服電機的帶動(dòng)下，進(jìn)行旋轉傾斜，傾斜至75°時(shí)樹(shù)苗滑進(jìn)至空心鉆頭內部，掉落至空洞中，自此完成樹(shù)苗分苗、正位等操作。

圖4 分苗器

圖5 分苗滾筒

2.1.4 覆土掩埋裝置

掩埋裝置主要由掩埋輪組成，如圖6。裝置位于植樹(shù)車(chē)尾部，與打孔位置位于同一直線(xiàn)，當完成植樹(shù)之一步驟之后，植樹(shù)車(chē)前進(jìn)，掩埋裝置經(jīng)過(guò)剛剛完成植樹(shù)的工作區域就會(huì )對攜帶出來(lái)的沙土進(jìn)行向中間的掩埋，不僅使得樹(shù)苗更加牢固，更加的減少了水分的蒸發(fā)速率，大大提高了樹(shù)苗的成活率。

圖6 掩埋輪

2.1.5 機械結構優(yōu)勢

植樹(shù)車(chē)采用全新機械結構，將傳統治沙方法進(jìn)行全面改進(jìn)，以機器代替人力^[3]，實(shí)現沙漠中自動(dòng)化種植, 在大幅度提高種植效率的同時(shí)，大幅度提高種植的精確度，保證樹(shù)苗的成活率；另外，避免人直接暴露在沙漠中進(jìn)行人工種植，減少人力付出，保證人員安全。

2.2 電控系統設計與實(shí)現

2.2.1 電控系統硬件

1）單片機模塊設計

主控板以STM32F103 微控制器為核心，通過(guò)esp8266無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳輸數據至云端^[4]，控制電機驅動(dòng)模塊從而達到控制植樹(shù)車(chē)運動(dòng)和工作如圖7。

圖7 植樹(shù)車(chē)電控框架圖

2）電機驅動(dòng)模塊設計

植樹(shù)車(chē)使用了直流電機，步進(jìn)電機，伺服電機等不同電機，所用配套的電機驅動(dòng)模塊L298N 驅動(dòng)直流電機完成對植樹(shù)車(chē)運動(dòng)控制，如圖8，L298N 作為單塊集成電路，可直接控制高電壓、高電流馬達，不需要絕緣電路，可直接驅動(dòng)雙路直流馬達，并且在單片I/0 輸出下L298N 的控制端電平可以改變，實(shí)現了控制馬達的工作方式。

圖8 L298N原理圖

ULN2003 驅動(dòng)板，如圖9所示。通過(guò)驅動(dòng)板驅動(dòng)步進(jìn)電機，單片機控制脈沖數來(lái)控制步進(jìn)電機的角位移量，通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制馬達旋轉數，實(shí)現植樹(shù)車(chē)精準送苗功能。

圖9 ULN2003 實(shí)物圖

2.2.2 電控系統軟件設計

本次使用的編程調試軟件為Keil_5 和STM32CudeIDE，以STM32 微控制器，搭配L298N、ESP8266、ULN2003 模塊實(shí)現植樹(shù)車(chē)運動(dòng)和植樹(shù)功能控制。根據植樹(shù)車(chē)所要實(shí)現的功能，大致分為3 個(gè)部分，植樹(shù)車(chē)運動(dòng)，植樹(shù)功能的實(shí)現，esp8266 連接上端云平臺控制STM32單片機的部分。工作流程見(jiàn)圖10。

圖10 軟件設計工作流程圖

首先進(jìn)行準備工作：在植樹(shù)車(chē)后部裝有蓄水箱，對水箱進(jìn)行注水，之后在樹(shù)苗暫存箱進(jìn)行樹(shù)苗放置。啟動(dòng)esp8266 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，使用STA+AP 模式接入到無(wú)線(xiàn)傳輸服務(wù)，實(shí)現與云端的互聯(lián)，通過(guò)云和esp8266 與STM32 微控制器發(fā)送植樹(shù)車(chē)運動(dòng)或植樹(shù)命令^[5-6]。

準備工作完成之后進(jìn)行植樹(shù)工作：首先通過(guò)兩個(gè)絲桿電機帶動(dòng)空心鉆頭向下移動(dòng)進(jìn)行鉆孔，同時(shí)高壓水槍在水泵的作用下進(jìn)行工作，完成鉆孔之后，樹(shù)苗正位機構的滾筒在步進(jìn)電機的帶動(dòng)下對樹(shù)苗進(jìn)行分苗操作，樹(shù)苗掉入分苗器，分苗器在對應的伺服電機的帶動(dòng)下傾斜75°，使得樹(shù)苗在重力作用下掉入鉆出的孔洞中。在車(chē)輪底部直流電機的帶動(dòng)下，車(chē)輪進(jìn)行定距移動(dòng)，車(chē)尾部帶有掩埋裝置——掩埋輪，當車(chē)尾經(jīng)過(guò)剛剛新植好的樹(shù)苗位置時(shí)，即可對剛剛鉆洞導致外漏的沙子和土壤進(jìn)行掩埋操作，使得樹(shù)苗更加穩固，減少水分喪失。完成一次種植之后，即可進(jìn)行之后的循環(huán)種植。

2.3 整車(chē)調試

為測試沙漠植樹(shù)車(chē)能否在沙漠地區工作，選擇在沙質(zhì)地進(jìn)行實(shí)地測驗，如圖11。沙質(zhì)地柔軟，植樹(shù)車(chē)速度過(guò)快，會(huì )揚起沙塵，使電機負載過(guò)大，損壞電機。為解決這一問(wèn)題，使用PWM 算法，減少脈沖輸出，降低速度，同時(shí)使植樹(shù)車(chē)能夠平穩運行^[7]。經(jīng)最終測試，沙漠植樹(shù)車(chē)可以在沙漠及荒漠地區前行，植樹(shù)效率為1~2棵/min，滿(mǎn)足預期效果。

圖11 沙漠植樹(shù)車(chē)試車(chē)圖

3 結束語(yǔ)

沙漠植樹(shù)車(chē)能夠有效的解決沙漠地區植樹(shù)困難，人力成本高，栽種精度低的問(wèn)題，作為新型沙漠植樹(shù)車(chē)，致力于解決土地荒漠化^[8]，為世界生態(tài)和人類(lèi)環(huán)境做出貢獻，避免人類(lèi)在惡劣環(huán)境下的工作，為沙漠地區植樹(shù)造林計劃，綠洲計劃帶來(lái)有效助力。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）